文|编辑 稻述
介绍国内船闸控制系统已普遍采用可编程逻辑控制器(PLC)为控制系统核心器件,但双侧闸门同步性能较差｡
通过对江苏､山东､广西等地船闸实际调研,国内船闸闸门运行的双侧同步通常采用等待位同步关门,而全程同步控制不予考虑｡
即使采用比例-积分-微分( PID)控制,一旦控制器参数确定,在运行几年之后,随着机械设备的磨损和液压设备油压变化,很难保证双侧闸门同步运行｡
如能采取一种带有自适应性的双侧闸门同步运行的控制方式,将大幅提高船闸控制系统性能｡
以PLC改善船闸双侧闸门控制稳定性和同步性为目的的相关研究有:
廖君通过分析影响船闸PLC可靠性的因素并提出一些针对性的保护措施,但对整体运行效率的提高意义不明显｡
王宁综述国内船闸关于闸门同步所采用的技术,主要为双门双环PID运算同步控制程序､ 单门全程PID动态同步控制程序和减速位等待同步控制程序种,但都不具备自适应性｡
张建平等提出一种将模糊控制应用于船闸闸门同步控制的方法｡
这是首次有文章提出将模糊控制理论应用于船闸控制系统,缺点是控制器实现的前期效果较差,规则库精确化的周期较长｡
蒋纯谷讨论了将模糊PID应用于PLC中的一种实现方法｡
虽然并未针对船闸系统,但可以将其基本应用理论扩展至船闸闸门同步控制｡
李敏捷通过分析转向架分离装置平台升降机构的液压系统位置同步控制系统,其在船闸闸门变速同步实现比较有借鉴意义｡
模糊PID在其他领域的变速控制或同步性控制已经有一些成功应用的案例,但尚未有将模糊PID自适应性的控制器引入到船闸控制的尝试｡
模糊PID的船闸闸门同步控制器的设计与探索对提高船闸控制系统性能具有很好的实践意义｡
闸门控制原理及研究内容
1、闸门调速控制原理
电比例泵及比例流量控制阀是实现闸门和阀门速度调节的关键设备｡
电液比例变量柱塞泵可通过控制输入电信号的大小(0~10V),实现对系统流量的直接控制｡
同时,电比例泵还具有液压反馈系统,当系统工作压力超过设定的压力值时,泵会自动减小输出流量,减少能源消耗,保证系统工作安全稳定｡所以,通过PLC控制系统调节 输出的模拟量电信号即可控制闸门运动速度｡
2、研究内容
本文主要研究将模糊PID控制应用于双侧闸门变速跟随控制｡利用开度仪的信号反馈扰动液压系统流量,从而调节闸门开启速度,形成闭环控制｡
利用模糊PID的闸门变速同步分为3步实现:
通过PLC对主动门慢→快→慢的速度给定;普通PID跟随的设置,使从动门与主动门速度保持一致;在PID跟随中加入模糊控制策略,实现PID模块的自适应性｡
闸门同步模糊PID控制器设计与仿真1、模糊 PID 控制设计
模糊PID是将模糊控制理论与PID控制器相结合,根据偏差e和偏差率ec输出Kp､ Ki､Kd3个参数,使PID参数具有实时自适应性,也就是在船闸液压系统或闸门机械性能改变后,同步控制系统仍能保持较高运行精度｡
本文PID模糊控制系统的控制策略如图1所示｡
1）确定输入､输出变量及其模糊状态
设定船闸两侧闸门开度差值为e,设定ec为e的一阶导数,即ec=de∕dt;
E和EC分别为e和ec模糊化后的模糊量;
U为模糊控制量,u为U去模糊化后的精确量;
ΔKp､ΔKi､ΔKd为待调参数｡e和ec将输入的工程量转化到相应的模糊论域[-6,6]｡
考虑船闸闸门合拢过程的运行时间为2.5~3.0min,且双侧闸门的同步精度要求为厘米级,控制品质要求中等,变量模糊态分为7档,分别为:负大(NB)､负中(NM)､ 负小(NS)､零(ZO)､正小(PS)､正中(PM)､正大(PB)｡
根据以往工程经验,设定ΔKp的基本论域为[-6,6 ],ΔKi的基本论域为[-0.6,0.6],ΔKd的基本论域为[-3,3]｡
2）定义隶属函数
常用的有三角形､正态分布､高斯､S型隶属函数等｡
由于三角形隶属函数计算较简单､性能较好,本文选用三角形隶属函数,公式为:
公式中定义集合A为某一论域U上的任意子集｡
论域U′中的某一元素u′是否属于子集A是客观存在的,可以用1和0表示,1表示 u′在子集A中,0表示u′不在子集A中｡
因为子集A为模糊子集,u′是否属于A则有不分明性,需要一个特征函数描述这种概率的大小,即用[0,1]区间上的函数代替0和1两个数值｡
这个概率称为隶属度,这个特征函数称为隶属函数｡
3）建立规则库
规则库是模糊控制器的最核心部分｡通常,模糊控制的规则库是专家知识的总结,从实践中提炼和归纳｡
模糊PID中,ΔKp､ΔKi､ΔKd的作用与在普通PID中近似,专家经验得到的模糊输入量E和EC与输出量ΔKp､ΔKi､ΔKd的规则库见表1｡
4） 输出变量去模糊化
经过模糊推理,由推理机得到一个模糊集,这个模糊集并不能用于对象控制,需要对模糊集 进行模糊判决才能得到精确值｡
这个模糊判决的过程又称为去模糊化,目前常用的方法是最大隶属度法､中位数法和加权平均法(重心法)｡
本文选用最大隶属度法,具体方法是其输出精确值由模糊子集上的隶属度最大的元素直接决定｡
如果有两个及两个以上最大隶属度元素ΔK(i),则取这些值的平均数最为输出精确值, 公式为
式中:ΔKp(k)､ΔKi(k)､ΔKd(k)分别为ΔKp､ΔKi､ΔKd的最大隶属函数的某一个输出,将所有最大输出求平均数｡
2、 模糊 PID 仿真
为了验证模糊PID在双侧闸门跟随时的调节性能,本文利用Matlab软件对模糊 PID电路进行仿真｡
1)建立模糊编辑器｡ 在Matlab中调用一个模糊控制器,并按照要求添加2个输入量e和ec,以及3个输出量分别为ΔKp､ΔKi､ΔKd,并为所有输入输出量选择三角形隶属函数｡如图2所示
2）编辑规则库｡
根据表1,将所有49条关于输入量e､ec和输出量ΔKp､ΔKi､ΔKd的规则逐条输入规则编辑器｡
去模糊化采用最大隶属度的方法｡
3)参数变量的三维曲线｡
输出量ΔKi在不同e､ec时输出值在规则库的作用下显示出的表面特征,图中输出值较高时呈浅色,输出值较低时呈深色｡
4)闸门PID模糊控制器的Matlab∕Simulink仿真｡
闸门控制系统过程中要经过比例泵的电液比例阀和液压缸负载,这2环节都具有零初始条 件下的线性响应｡
利用Matlab中的Simulink库,首先置入一个模糊控制器,在其参数设定窗口选用之前定义好的FPID的模糊控制器｡
按传递函数搭建仿真电路,仿真结果见图4｡
仿真结果表明:在选取合理参数的前提下,模糊PID可以获得较好的稳定特性｡模糊 PID比普通PID响应更快､超调量小,尤其能够适应参数的变化｡
基于模糊控制算法的PLC双侧闸门同步控制
船闸对闸门的控制要求主要分为2个方面:
1)慢→快→慢的变速运行;
2)两侧闸门必须同步运行｡慢→快→慢变速可以通过PLC的AO模块控制比例阀的流量, 从而达到调节闸门运行速度的目的,而双侧闸门同步运行,通过PID调节实现｡
闸门变速运行程序
以0~10V电比例泵的闸门开启为例,闸门启动时以PLC每毫秒累计的方法使输出电流平稳增加至4V,泵低速启动｡
当开度值达到10%时,再用每毫秒递增的方法在5s内使电流增加到8V,泵开始已进入高速运行｡
当开度达到90%,输出电流再次减至4V,泵在接近开终位前降到一个较小的速度值,停止｡
PID跟随程序
在上述主动闸门速度设定完成后,从动闸门通过PID调节跟随主动闸门开闭,以保证双侧闸门同时开到位｡
通常,将带有CPU侧的闸门作为主动门,另一侧闸门作为从动门｡根据主动门的当前开度, 应用PID算法控制跟随门的运行速度｡
以Schneiderunitypro软件为例,编程中需要调用图5中的PID控制器, 并为控制器正确连接参数及输入､输出量｡
其中PV为从动门的开度值,SP为主动门的开度值,TR_I为主动门以在系统中设定好慢 → 快 → 慢阶梯变化固定运行的主值,OUT为从动门经过PID调节后得到的跟随值｡
通过PID模块不断的测量､比较､执行过程,将从动门的实际开度与主动门开度相比较, 用偏差纠正系统的响应,从而调节比例放大器的输出值,以调节控制双侧闸门同步｡
结论
本文通过对模糊控制策略和模糊控制算法 的研究,以合理的硬件设计结合软件程序, 实现了自适应模糊控制器在船闸双侧闸门同步的应用,并通过仿真和现场试验,验证其可行性｡
所述模糊控制器的自适应性良好,解决了以往船闸闸门随着使用年限增加同步性变差的普遍现象｡
由于船闸双侧闸门运行过程需要经过比例放大器､比例阀､电比例泵､液压缸多道环境,且闸门本身又会受到水流､底边摩擦力等外力,所以其运动精度在运行一两年之后发生改变的情况比较普遍｡
这时普通控制系统就需要重新测定参数,耗费人力,停航维修则严重影响经济效益｡
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